DYNamique d’un plAsMa turbulent et inductiOn magnétique – DYNAMO

Le dispositif expérimental développé consiste en une colonne de plasma faiblement magnétisée créée par une source inductive radiofréquence. Le forçage de la rotation du plasma est assuré par la polarisation d’une cathode fortement émissive: l’interaction de ce courant radial créé la cathode avec le champ magnétique axial confinant le plasma engendre la rotation de la colonne de plasma. Des méthodes de forçage alternatives basées sur la polarisation continue ou radiofréquence de grilles seront aussi testées.
La vitesse de rotation du plasma est mesurée grâce à un ensemble de sondes électrostatique et de méthodes optiques modernes spécifiques, telles la fluorescence induite par diode laser accordable en longueur d’onde. Les mesures de fluctuations des paramètres plasmas sont assurées par un réseau de sondes électrostatiques et le recours à de l’imagerie ultra-rapides des fluctuations des l’emission optique. Il est ainsi en particulier possible de caractériser la dynamique des ondes de dérives excitées dans la colonne de plasma.
Le volet numérique est assuré par l’utilisation de codes MHD pseudo-spectraux mettant en oeuvre des méthodes de pénalisation permettant la prise en compte de géométries complexes, mais aussi de codes aux différences finies spécifiques.
Le développement expérimental s’appuie aussi fortement sur un ensemble de collaborations nationales et internationales.

Une première partie des résultats concerne le développement de l’instrumentation spécifique et du dispositif expérimental (dans un laboratoire n’ayant préalablement pas d’expertise technique spécifique aux plasmas). Un ensemble de sondes électrostatiques a été développé pour les mesures résolues en temps et en espace des paramètres plasmas (sondes de Langmuir, sonde de Mach, sonde émissive, développement d’une sonde 5 conducteurs pour les mesures de turbulence). La stabilité de la source plasma a permis d’étudier la validité des mesures de fluctuations turbulentes à l’aide de sondes émissives en modulant le plasma (un article publié, un article soumis incluant une modélisation détaillée).
Un système de fluorescence induite par laser (LIF) sur les ions Ar+ a été développé, en collaboration, pour permettre la mesure de la fonction de distribution des ions Ar+. Ce système permet des mesures systématiques et a été déplacé au printemps 2016 à l’University du Wisconsin, Madison pour des mesures de températures ioniques et d’écoulements. D’autre part, au printemps 2015 des mesures par imagerie rapide ont permis de valider les mesures dynamiques sur les ondes de dérive à l’aide d’une caméra rapide. L’ensemble de ces développements a conduit à un article de référence sur le dispositif expérimental.
L’instrumentation développée a permis d’analyser en détail les termes conduisant à la rotation du plasma, et de déterminer les contributions relatives des termes de dérives et de force de Lorentz (présentations en conférence, article en préparation).
Les outils de simulation numérique ont été qualifiés sur des cas tests référencés et une étude systématique en fonction des paramètres de contrôle est en cours. Une confrontation avec les mesures expérimentales d’écoulement a été menée (présentations en conférence, un article soumis et un article en préparation).

A court terme, les perspectives ouvertes par les résultats précédents sont de deux ordres. D’une part, une étude systématique permettant de comprendre comment le potentiel plasma est modifié en présence d’un courant radial imposé par une cathode fortement émissive et met en rotation la colonne de plasma. Pour ce faire, l’instrumentation dédiée développée précédemment permettra de fournir un jeu de données qui sera confronté aux données de simulation numérique pour modéliser la modélisation du potentiel plasma (des résultats préliminaires montrent que la force de Lorentz ne joue aucun rôle dans le forçage). D’autre part, l’influence de la rotation du plasma sur les ondes de dérives sera menée en utilisant conjointement l’imagerie ultra-rapide et l’instrumentation dédiée. En particulier, la possibilité de stabiliser ou de déstabiliser les ondes dérives par un écoulement contrôlé sera creusée.
A moyen terme, une seconde cellule de rotation sera développée pour permettre d’imposer un fort cisaillement axial de la rotation du plasma. Le développement de cette seconde cellule sera basée sur les résultats déjà obtenus.
A plus long terme, diverses technologies alternatives d’accélération du plasma seront testées; en particulier grâce à des polarisations par grilles. L’influence de l’expansion du plasma (par exemple en présence d’un champ magnétique divergent) sur la dynamique des écoulements sera aussi étudiée. Ces résultats permettront l’identification des schémas les plus efficaces pour le développement d’expériences plasma de grande taille dédiées à l’étude des instabilités plasma contrôlées par les écoulements.

1. N. Plihon et al., Flow dynamics and magnetic induction in the von-Karman plasma experiment, Journal of Plasma Physics, 81, 345810102 (2015)
2. G. Bousselin et al., How plasma parameters fluctuations influence emissive probe measurements, Physics of Plasmas, 22, 053511 (2015)
3. F. Palermo, W. Bos, N. Plihon, Stirring a conducting fluid in a cylinder using the Lorentz force, Physical Review E, soumis 2015
4. J. Cavalier et al., Strongly emissive plasma-facing material under space-charge limited regimes : Application to emissive probes, Phys. Plasmas, soumis 2016
5. N. Plihon et al., Stochastic reversal dynamics of two interacting magnetic dipoles: A simple model experiment, Phys. Rev. E, 94, 012224 (2016)

Le couplage entre champ de vitesse (u) et champ magnétique (b) dans les fluides conducteurs est présent dans de nombreuses situations astrophysiques et de laboratoire : vent solaire, planètes et étoiles (où l’instabilité dynamo convertit une partie de l’énergie cinétique en énergie magnétique), plasmas de fusion. Ces milieux sont turbulents et une description unifiée de leur comportement fait défaut. L’analyse des équations de la magnétohydrodynamique (MHD) fait ressortir trois nombres sans dimension: le nombre de Prandtl magnétique Pm (compare viscosité cinématique et viscosité du champ magnétique), le nombre de Reynolds cinétique Re (traduit l’intensité de la turbulence de l’écoulement), et le nombre de Reynolds magnétique Rm (quantifie les effets non-linéaires pour le champ magnétique). Deux de ces nombres sont indépendants, avec Rm = Pm.Re.
Le projet DYNAMO propose une caractérisation de l’influence de Re et Pm sur la dynamique couplée (u,b) dans un plasma, en présence d’écoulements contrôlés. L’utilisation d’un plasma en tant que fluide conducteur permet de faire varier la valeur de Pm sur plusieurs ordres de grandeurs, en fonction des paramètres physiques du plasma; notre dispositif couvrira des valeurs de Pm entre 1e-7 et 10 dans un plasma basse pression.
Nos travaux porteront sur:
1. l’influence de Re et Pm sur les processus MHD turbulents (tel les effets d’induction magnétique) et la turbulence plasma
2. l’influence d’écoulements grande-échelle sur la turbulence plasma (ondes de dérives).
Le premier point permettra d’étendre les études expérimentales en métaux liquides, à très bas Pm (1e-6), et d’atteindre les régimes des simulations numériques actuelles à Pm modéré (0,1).
Le second point est une approche originale de la turbulence dans les plasmas, basée sur un forçage à grande échelle du plasma. Cette approche est complémentaire des études, nombreuses et bien documentées, sur la turbulence plasma, dont l’origine est l’interaction non-linéaire de modes (d’ondes de dérives) instables à petite échelle.
Notre approche est basée sur la mise en place d’une expérience dans laquelle le plasma est mis en mouvement, à grande échelle, de manière contrôlée. Ce dispositif permettra un contrôle indépendant de Pm et Re. Des méthodes innovantes en simulation numérique appuieront et compléteront le développement expérimental. Les données expérimentales, renforcées par les données numériques, serviront de base aux travaux de modélisation physique des processus de couplage dynamique (u,b).
Le programme scientifique est le suivant:
1. Écoulements plasmas contrôlés : développement et caractérisation de techniques d’accélération pour un écoulement de type von-Kàrmàn, évolution des coefficients de transport avec les paramètres physiques, contrôle du potentiel plasma.
2. Influence d’écoulements sur la turbulence d’ondes de dérives : rotation, écoulements cisaillés axialement et azimutalement
3. Influence de Re et Pm sur la turbulence plasma et les mécanismes d’induction magnétique en présence de champ magnétique appliqué à grande échelle et de gradients de vitesse. Cette étape fournira des bases pour la modélisation des situations astrophysiques et le développement de la prochaine génération d’expériences dynamos en plasma.
Les outils statistiques de turbulence en fluide neutre seront appliquées à la dynamique couplée (u,b). La dépendance en Pm et Re des spectres turbulents, des processus de dissipation d’énergie, de l’intermittence et de l’anisotropie sera caractérisée. Cette approche permettra de compléter et d’affiner les modèles pour le vent solaire ou la contrôle de la turbulence des plasmas de fusion.
Le développement expérimental de mesures résolues en temps pour le champ magnétique et le champ de vitesse permettra de réaliser ces objectifs.
Finalement, le développement d’un dispositif expérimental original (écoulements contrôlés dans des plasmas) ouvrira un large champ d’investigation en (magnéto)-hydrodynamique non linéaire.